Microbiote intestinal et obésité - Laboratoires d`analyses médicales
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NUTRITION Microbiote intestinal et obésité Microbiote intestinal : rôle dans l’obésité et les maladies métaboliques J. ARON-WISNEWSKY1,2 résumé L’obésité est une pathologie dont l’étiologie est complexe et multifactorielle. La flore microbienne intestinale, ou microbiote intestinal, semble jouer un rôle majeur dans le développement de la prise de poids, mais aussi dans les pathologies métaboliques secondaires à l’obésité (diabète, stéatopathie non alcoolique). Ce lien direct est clairement démontré chez l’animal mais reste plus compliqué à authentifier chez l’homme. Par ailleurs, l’alimentation, mais aussi d’autres éléments de l’environnement, peuvent moduler la composition du microbiote intestinal et favoriser le développement d’anomalies métaboliques. Chez l’homme, les interventions diététiques ou les programmes de chirurgie bariatrique constituent d’excellents modèles d’étude pour clarifier le rôle spécifique du microbiote et élucider les mécanismes physiopathologiques qui sous-tendent l’obésité et ses complications spécifiques. I. - INTRODUCTION Nous faisons actuellement face, non seulement à une épidémie mondiale d’obésité dont la sévérité est encore accrue dans les pays qui ont adopté une alimentation occidentale et un mode de vie sédentaire (1), mais aussi à la progression conjointe des pathologies qu’elle engendre, dont le syndrome métabolique, le diabète de type 2, la stéatopathie non alcoolique, les maladies cardiovasculaires et certains cancers (2). Les facteurs étiologiques à l’origine de l’obésité sont multiples et complexes, et comprennent entre autres le mode de vie, les facteurs génétiques/épigénétiques, hormonaux et neuronaux. La flore microbienne intestinale pourrait aussi jouer un rôle dans la prise de poids et ses complications. La flore microbienne intestinale – ou microbiote intestinal – colonise le tube digestif juste après la naissance. Sa composition initiale est influencée par la flore maternelle, le mode d’accouchement (voie basse ou césarienne), le mode d’allaitement et l’exposition précoce à des antibiotiques ; après l’âge de deux ans, elle se stabilise jusqu’à l’âge adulte. Initialement compliqué à explorer par notre incapacité à cultiver plus de 30 % des microorganismes de la flore intestinale, ce domaine a bénéficié ces dernières années de l’émergence de méthodes de séquençage à haut débit. La « métagénomique » a ainsi rendu possible la caractérisation de l’ensemble des génomes bactériens – le métagénome bactérien –, constitué d'environ 4,2 millions de gènes, soit 100 à 150 fois plus que le génome humain (3). Cette approche a également permis l’analyse de la composition du microbiote intestinal et de certaines de ses fonctions, ainsi que ses interactions avec l’environnement (4). Ce sont les grands programmes internationaux (« Human Microbiome Project » et le consortium « MetaHIT ») qui ont permis la compréhension des liens entre microbiote intestinal et certaines pathologies comme l’obésité et ses comorbidités. IHU Institute of Cardiometabolism and Nutrition (ICAN) Service de Nutrition - Bâtiment IE3M, Hôpital PitiéSalpêtrière, 46-83 boulevard de l'Hôpital, 75013 Paris. 2 Laboratoire Nutriomique UMR-S 1166-ICAN. 1 - 33 - feuillets de Biologie VOL LV N° 321 - NOVEMBRE 2014 NUTRITION Microbiote intestinal et obésité mots-clés : obésité, maladies métaboliques, microbiote intestinal. II. - LE MICROBIOTE INTESTINAL : ÉTAT PHYSIOLOGIQUE A) Composition physiologique Le tube digestif humain est considéré comme un organe intérieur, puisqu’il abrite plus de 1014 microorganismes dont la plupart n’ont pas encore été identifiés à ce jour (5), mais qui appartiennent pour 90 % à deux phylums prédominants : les Bacteroidetes et les Firmicutes (6). La composition de la flore varie le long du tube digestif en lien avec les variations majeures de la niche environnementale (7) (Figure 1). Ainsi, la production acide de l’estomac est toxique pour la plupart des microbes et a sélectionné deux types de bactéries capables de résister à ces bas niveaux de PH : Lactobacillus sp. et Streptococcus sp. (8). Malgré la toxicité des sécrétions pancréatiques et des sels biliaires, le nombre de bactéries augmente le long du tube digestif, atteignant 107/ml dans le jéjunum distal (9). Le gros intestin est composé d’une communauté bactérienne principalement anaérobique, complexe et très dense. B) Fonctions physiologiques Le microbiote exerce plusieurs fonctions physiologiques : (i) il permet la digestion de fibres alimentaires, grâce à des enzymes que l’homme ne possède pas (10-12), conduisant à la production d’acides gras à chaînes courtes (short-chain fatty acids, SCFA) absorbés par l’intestin (13) ; (ii) il exerce des interactions majeures avec le système immunitaire ; (iii) il a un rôle dans la production des acides biliaires secondaires à partir des acides biliaires primaires sécrétés par le foie. Les acides biliaires secondaires ayant une activité anti-microbienne concentration-dépendante, ont la capacité d’influencer directement la composition de la flore, tout au moins la quantité totale des bactéries, mais sûrement aussi leur fonctionnalité. Outre son rôle physiologique, il est actuellement bien démontré que le microbiote intestinal pourrait aussi jouer un rôle dans certaines pathologies quand sa composition se modifie (« dysbiose »). III. - MICROBIOTE INTESTINAL ET OBÉSITÉ A) Rationnel La démonstration initiale du rôle du microbiote intestinal dans la régulation pondérale et le stockage énergétique provient d’une très élégante étude réalisée chez la souris (14). Les auteurs ont comparé des souris sans flore digestive, dites axéniques, à des souris conventionnelles et ont observé que les souris axéniques avaient une adiposité moindre alors qu’elles mangeaient plus que les contrôles. Le transfert de la flore des souris conventionnelles rendues obèses par régime gras aux souris axéniques, induisait chez ces dernières une prise de poids, en particulier adipeuse, malgré une réduction de la consommation alimentaire et NUTRITION Microbiote intestinal et obésité Intestin grêle proximal duodénum et jéjunum (2) Enzymes pancréatiques bicarbonates, acides biliaires pH 5,7 - 6,4 103-104 bactéries/ml Lactobacillus Escherichia coli, Enterococcus faecalis Estomac (1) Production acide, pepsine, amylase : pH 1-2 < 103 bactéries/ml Lactobacillus Streptococcus Gros intestin caecum/côlon (4-5-6) Bicarbonates, mucus pH 5,7 - 6,8 1012 bactéries/ml Bacteroidetes, Eubacterium Bifidobacterium, Ruminococcus, Pepstreptococcus, Propionibacterium, Clostridium, Lactobacillus, Escherichia, Streptococcus Intestin grêle distal iléon (3) pH 7,3 - 7,7 107 bactéries/ml Entérobactéries, Enterococcus Bacteriodetes, Clostridium Lactobacillus Fig. 1 - La composition du microbiote évolue le long du tube digestif en fonction de l’écologie locale. - 34 - feuillets de Biologie VOL LV N° 321 - NOVEMBRE 2014 l’absence d’augmentation de la dépense énergétique (10, 14, 15). Diversité normale Plus récemment, l’équipe de Gordon a évalué la composition corporelle de souris axéniques Corpulence ayant été transplantées par une normale mais aussi flore provenant de deux jumeaux certains obèses humains homozygotes, l’un obèse, Diversité réduite métaboliquement et l’autre pas. Les données de ces sains travaux montrent que les souris Obésité qui ont reçu la flore du jumeau (mais grande variabilité) obèse prennent significativement Anomalies métaboliques plus de poids (en particulier de la (insulino-résistance, masse grasse) que les souris qui dyslipidémie) ont reçu la flore du jumeau non Inflammation de bas grade obèse (16, 17). Ces différents résultats confirment donc le rôle de la flore intestinale dans la Fig. 2 - Phénotypes métaboliques associés à la diversité bactérienne d’après (4, 14, 18, 19, 20). prise de poids et son caractère transmissible, chez l’animal tout du moins. Sur le plan mécanistique, les études démontrent que le au sein du tissu adipeux) (19). Ces résultats ont été confirmicrobiote intestinal : (i) est impliqué dans la régulation més dans une population danoise (20) (Figure 2). de gènes favorisant le stockage énergétique dans le tissu adipeux (15) ; (ii) participe à la formation des SCFA. D’ail- C) Lien entre microbiote et alimentation leurs, l’analyse des selles d’individus obèses a mis en évi- 1) Composition basale dence plus de SCFA et moins de calories que dans les selles Si la composition de la flore présente une grande variad’individus de poids normal (13), permettant de formuler bilité interindividuelle, le microbiote intestinal possède l’hypothèse que la flore intestinale des obèses serait plus néanmoins un métagénome bactérien commun partagé efficace pour extraire l’énergie de l’alimentation et inpar tous les individus (21). D’ailleurs, trois « entérotypes », duire son stockage que celle d’individus de poids normal. pouvant être rapprochés des groupes sanguins, ont été mis en évidence dans des populations variées et ne semblent B) Signature bactérienne et diversité de la flore pas impactés par la corpulence. Ces entérotypes sont L’analyse de la composition du microbiote intestinal a caractérisés par la présence prédominante d’un genre bacété largement rapportée dans la littérature. De nombreux térien comme, respectivement, Bacteroides (entérotype 1), auteurs ont suggéré que l’obésité était associée à une ano- Prevotella (entérotype 2) ou Ruminococcus (entérotype 3), malie du ratio Bacteroidetes/Firmicutes, mais ce résultat est chaque entérotype étant capable de digérer des types actuellement très controversé. spécifiques de nutriments (22). La littérature s’accorde plutôt sur la notion d’une La flore intestinale est relativement stable chez les indiréduction de la diversité bactérienne (diminution de la vidus consommant leur régime habituel (23), et les entérichesse bactérienne) chez l’obèse par rapport à celle du rotypes semblent liés aux habitudes alimentaires sur le sujet de corpulence normale (4, 14, 18). Dans le même long terme (24) : alimentation contenant des protéines sens, la diversité bactérienne diminue dans une popula- animales et des graisses saturées pour l’entérotype 1, alition ayant une forte prévalence d’obésité comme aux mentation à base d’hydrates de carbone pour l’entérotype États-Unis comparativement à celle d’une population de 2. Par ailleurs, une étude a montré que la flore d’enfants moindre corpulence comme les amérindiens (18). africains vivants en milieu rural (dont l’alimentation est riche en fibres) était plus riche et diverse que celle d’enNéanmoins, notre équipe a récemment démontré qu’il fants européens, où l’apport en fibres est plus faible et la existait une variabilité importante de la diversité de la flore prévalence de l’obésité plus forte (25). intestinale y compris au sein d’un groupe de patients de corpulence relativement homogène (cohorte de patients obèses ou en surpoids). Ainsi, certains individus présen- 2) Intervention diététique tent un respect de la diversité microbienne, alors que d’auSi l’entérotype apparaît comme une signature relativetres présentent une flore intestinale appauvrie, de diversité ment stable au cours du temps, un changement de diétéréduite (19). Cet appauvrissement de la flore était associé tique (lors d’un régime ou d’une intervention diététique) à un profil métabolique défavorable (patients plus insu- est néanmoins capable de modifier, sinon la composition lino-résistants et plus dys-lipidémiques) et à une inflamma- globale de la flore, au moins en partie certains composés tion de bas grade plus importante (systémique mais aussi de celle-ci, indépendamment de la perte de poids. Ainsi, - 35 - feuillets de Biologie VOL LV N° 321 - NOVEMBRE 2014 NUTRITION Microbiote intestinal et obésité Microbiote intestinal et obésité des régimes riches en hydrates de carbone vont modifier certaines bactéries connues pour jouer un rôle dans leur digestion, comme par exemple Roseburia et Eubacterium rectale (26-28). Notre équipe a également pu démontrer qu’une intervention diététique (mise en place d’un régime riche en fibres) était capable d’augmenter la richesse bactérienne chez les personnes obèses ou en surpoids, en particulier chez ceux qui avaient un appauvrissement de la flore intestinale avant l’intervention (19). 3) Intervention de chirurgie bariatrique NUTRITION Microbiote intestinal et obésité L’étude du microbiote avant et après chirurgie de l’obésité (chirurgie « bariatrique ») s’est largement développée car il s’agit d’un modèle de choix pour mieux comprendre le rôle de la flore intestinale dans la physiopathologie de l’obésité et ses complications. Plusieurs types de chirurgies sont disponibles, selon que l’intervention est purement restrictive (anneau ou « sleeve » gastrique), ou qu’elle allie restriction et processus malabsorptif (« bypass gastrique Roux-en-Y ») (Figure 3). Ces chirurgies induisent une perte de poids majeure maintenue sur le long terme et permettent une amélioration des comorbidités de l’obésité, ainsi qu’une amélioration de l’inflammation tissulaire (29, 30). De nombreux auteurs ont observé une modification de la composition de la flore intestinale après bypass gastrique, modèle chirurgical le plus exploré (31-33). Notre laboratoire a aussi démontré que la diversité bactérienne, réduite chez l’obèse, augmentait après perte de poids induite par chirurgie bariatrique, confirmant les données précédentes (34). Les changements de profils bactériens sont associés à des changements de marqueurs de la corpulence (indice de masse corporelle [IMC], masse grasse évaluée par DEXA [dual energy X-ray absorptiometry] et taux de leptine). Néanmoins, nous avons mis en évidence que 50 % de ces changements étaient dépendants de la consommation alimentaire (31, 34), confirmant le lien fort entre le microbiote, l’alimentation et la biologie de l’hôte. Enfin, nous avons pu analyser de manière concomitante le microbiote intestinal, mais aussi l’expression génique du tissu adipeux de l’hôte avant et après chirurgie bariatrique. Nos résultats suggèrent que le bypass permet de restaurer un dialogue entre le microbiote et l’hôte après amaigrissement. Le bypass est néanmoins une technique chirurgicale qui induit un très grand nombre de modifications du tractus digestif (pH, hormones, vitesse de transit) et donc de l’écologie digestive, pouvant en soi modifier la composition du microbiote. Cela a été résumé dans une revue récente (35). À ce stade, il paraît donc nécessaire de confirmer les résultats obtenus dans d’autres modèles chirurgicaux (sleeve, anneau) et de rechercher sur le long terme la résilience des modifications observées. 4) Effet de l’activité physique Des données récentes suggèrent un rôle bénéfique de l’activité physique sur la composition du microbiote. Une étude a ainsi comparé la flore digestive de 4 groupes de souris soumises ou non à un régime gras, sédentaires ou pratiquant de l’activité physique « volontaire ». Comme attendu, les souris sous régime gras développent des anomalies métaboliques qui peuvent être en partie améliorées par la pratique d’activité physique. Cependant, de manière intéressante, les auteurs mettent en évidence une modification des profils de certains genres bactériens par l’activité physique (différents de ceux engendrés par les modifications alimentaires), qui pourraient rendre compte de l’amélioration métabolique observée chez les souris obèses actives (36). D’autres auteurs ont mis en évidence un lien entre l’exercice physique, la modification Fig. 2 - Les trois principales techniques de chirurgie bariatrique. Adapté de http://www.has-sante.fr/portail/jcms/c_765529/fr/obesite-prise-en-charge-chirurgicalechez-l-adulte A. L’anneau gastrique ajustable consiste en la création d’une petite poche gastrique (a) grâce à un anneau (b) fixé sur la partie supérieure de l’estomac ; cet anneau est connecté à un boîtier (c) situé en sous-cutané qui permet l’ajustement du serrage. B. La « sleeve » consiste en une résection large de l’estomac (d), afin de créer un tube gastrique de 60 ml laissant intact le pylore. C. Le « bypass gastrique Roux-en-Y » consiste en la création d’une petite poche gastrique (e) de 30 ml directement reliée à la partie distale de l’iléon formant l’anse alimentaire (h) ; la partie distale de l’estomac (f), le duodénum (g) et la partie proximale du jéjunum (i) sont dérivés et anastomosés d'environ 1,5 m en dessous de l’anastomose gastro-jéjunale. - 36 - feuillets de Biologie VOL LV N° 321 - NOVEMBRE 2014 Microbiote intestinal et obésité de certains genres bactériens et les concentrations d’hormones intervenant dans la régulation de l’appétit et de la prise alimentaire (37). Ce qu’il faut retenir Le microbiote intestinal fait le lien entre l’environnement extérieur et la biologie de l’hôte, avec un rôle majeur de l’apport alimentaire (et probablement de l’activité physique) sur la modulation du microbiote. Il existe une diversité bactérienne réduite chez l’obèse, qui est encore accrue en présence d’anomalies métaboliques. Sur le plan mécanistique, les résultats des études murines suggèrent qu’au cours de l’obésité et avec une alimentation riche en graisses, la perméabilité intestinale est accrue et est responsable d’un passage des bactéries ou de certains de leur composants, induisant une endotoxémie ellemême à l’origine des anomalies métaboliques rencontrées (insulino-résistance et diabète) (39). Ce qu’il faut retenir Le microbiote intestinal pourrait jouer un rôle prédicitif pour évaluer le risque de développer une pathologie métabolique sur le long terme ou pour prédire la réponse à une intervention diététique. IV. - MICROBIOTE : BIOMARQUEUR PRÉDICTIF DES MALADIES MÉTABOLIQUES V. - CONCLUSION Comme mentionné précédemment, les patients obèses ou en surpoids ayant une diversité de leur flore digestive réduite, présentent des anomalies métaboliques et des manifestations inflammatoires plus marquées que ceux ayant une diversité normale de la flore (19). De manière intéressante, après intervention diététique introduisant une alimentation riche en fibres, cette diversité s’améliore. Néanmoins, les patients qui présentaient de façon basale une flore appauvrie et des complications métaboliques, restent plus « métaboliquement malades » à la fin de l’intervention et perdent moins de poids que les patients dont la flore est normalement riche. Cela suggère que l’étude de la flore intestinale pourrait jouer un rôle prédictif dans la réponse à une intervention. Différents travaux montrent le rôle indéniable du microbiote intestinal dans l’obésité, faisant le lien entre l’environnement (alimentation et activité physique), la corpulence mais aussi ses complications métaboliques. Des modèles murins suggèrent que cela passerait par une perméabilité intestinale accrue et une translocation des bactéries dans l’organisme, provoquant une endotoxémie et l’induction du stockage énergétique, mais aussi l’activation des voies de l’inflammation, en partie responsable des complications fréquemment associées à l’obésité (diabète, stéatopathie non alcoolique (40)). Des données très récentes impliquent aussi directement le microbiote intestinal dans la survenue d’événements athéromateux et d’événements cardio-vasculaires par son rôle dans le métabolisme de certains dérivés alimentaires (41). Dans le même esprit, la cohorte DESIR a suivi plus de 3 000 patients non diabétiques pendant 9 ans et a évalué le nombre de nouveaux cas de diabète au cours du suivi. Les auteurs ont quantifié l’ADN bactérien systémique circulant, qu’ils ont retrouvé augmenté chez les patients ayant déclaré un diabète au cours du suivi (38). Ces données mettent encore une fois en exergue le rôle de la flore bactérienne comme un outil prédictif, afin de mieux poser les indications d’une intensification des traitements préventifs chez certains patients à risque. Approfondir nos connaissances du microbiote intestinal permettra de mieux comprendre la physiopathologie des maladies nutritionnelles, métaboliques et cardiovasculaires, mais aussi de proposer des thérapeutiques ciblées dans le futur. L’analyse du microbiote pourrait aussi nous permettre de stratifier les patients en répondeurs et non répondeurs, afin de proposer des thérapeutiques personnalisées. NUTRITION Microbiote intestinal et obésité Conflit d’intérêt : aucun. - 37 - feuillets de Biologie VOL LV N° 321 - NOVEMBRE 2014 Références Bibliographiques (1) Flegal KM, et al. 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